光电二极管工作原理详细讲解

什么是光电二极管?

光电二极管是一种将光转换为电流的半导体器件，在 p(正)和 n(负)层之间，存在一个本征层。光电二极管接受光能作为输入以产生电流。光电二极管也被称为光电探测器，光电传感器或光探测器。

光电二极管工作在反向偏置条件下，即光电二极管的p-侧与电池(或电源)的负极相连，n-侧与电池的正极相连。典型的光电二极管材料是硅、锗、磷化砷化铟镓和砷化铟镓。

在内部，光电二极管具有滤光器、内置透镜和表面区域。当光电二极管的表面积增加时，会缩短响应时间。很少有光电二极管看起来像发光二极管 (LED)。它有两个终端，如下所示。较小的端子用作阴极，较长的端子用作阳极。

光电二极管的符号类似于 LED 的符号，但箭头指向内部而不是 LED 中的外部。下图显示了光电二极管的符号。

光电二极管原理

光电二极管的工作原理是，当一个能量充足的光子撞击二极管时，会产生一对电子空穴。这种机制也称为内光电效应。如果在耗尽区结中出现吸收，则载流子被耗尽区的内置电场从结中去除。

通常当用光照亮PN结的时，共价键被电离。这会产生空穴和电子对。由于电子-空穴对的产生而产生光电流。当能量超过 1.1eV 的光子撞击二极管时，就会形成电子空穴对。当光子进入二极管的耗尽区时，它以高能量撞击原子。这导致从原子结构中释放电子。电子释放后，产生自由电子和空穴。具体的可以看下图。

一般来说，电子带负电荷，空穴带正电荷。耗尽能量将具有内建电场。由于该电场，电子-空穴对远离PN结。因此，空穴向阳极移动，电子向阴极移动以产生光电流。

光子吸收强度和光子能量彼此成正比。照片能量越少，吸收越多。这整个过程被称为内光电效应。

内在激发和外在激发是发生光子激发的两种方法。当价带中的电子被光子激发到导带时，就会发生本征激发过程。

光电二极管的工作电路

光电二极管主要以三种不同的模式工作，是：

光伏模式

光电导模式

雪崩二极管模式

光伏模式

光伏模式也称为零偏压模式。当光电二极管工作在低频应用和超能级光应用时，这种模式是首选。当闪光照射光电二极管时，会产生电压。产生的电压将具有非常小的动态范围，并且具有非线性特性。当光电二极管在此模式下配置 OP-AMP ，随温度的变化将非常小。

光电导模式

在光电导模式下，光电二极管将在反向偏置条件下工作。阴极为正极，阳极为负极。当反向电压增加时，耗尽层的宽度也会增加。因此，响应时间和结电容将减少。相比之下，这种操作模式速度快，并且会产生电子噪音。

雪崩二极管模式

雪崩二极管在高反向偏置条件下工作，这允许雪崩击穿倍增到每个光电产生的电子-空穴对。该结果是光电二极管的内部增益，它会缓慢增加设备响应。

光电二极管电路

光电二极管的电路图如下所示。该电路可以用一个 10k 电阻器和光电二极管构建。一旦光电二极管注意到光线，它就会允许一些电流通过它。通过该二极管提供的电流总和可以与通过二极管观察到的光的总和成正比。

在外部电路中连接光电二极管

光电二极管在反向偏置的电路中工作。阳极连接到电路地，阴极连接到电路的正电源电压。当被光照射时，电流从阴极流向阳极。

当光电二极管与外部电路一起使用时，它们连接到电路中的电源。光电二极管产生的电流量将非常小。该电流值不足以驱动电子设备。因此，当它们连接到外部电源时，它会为电路提供更多电流。因此，电池被用作电源。电池源有助于增加电流值，有助于外部设备具有更好的性能

光电二极管的制造过程

光电二极管材料

光电二极管的材料决定了它的许多特性。关键特性是光电二极管响应的光的波，另一个是噪音水平，这两者在很大程度上取决于光电二极管中使用的材料。

由于使用不同材料而导致对波长的不同响应发生，因为只有具有足够能量的光子才能在材料的带隙中激发电子，才会产生显著的能量来产生来自光电二极管的电流。

虽然材料的波长敏感性非常重要，但另一个可能对光电二极管性能产生重大影响的参数是产生的噪声水平。

由于其更大的带隙，硅光电二极管产生的噪声比锗光电二极管要小。然而，还需要考虑需要光电二极管的波长，并且锗光电二极管必须用于长于大约 1000 nm 的波长。

光电二极管结构

光电二极管的关键要求之一是收集光的合适区域。在标准 PN 结内，这相对较小，但可以通过使用 PIN 二极管来增加面积。由于本征区域包含在用于集光的有源结中，因此用于集光的区域要大得多，从而使 PIN 光电二极管更有效。

在光电二极管制造过程中，在 P 型和 N 型层之间插入了厚的本征层。该中间本征层可以是完全本征的，或者是非常轻掺杂的以使其成为N-层。在某些情况下，它可以作为外延层生长到衬底上，或者它可以包含在衬底本身内。

P+扩散层的开发可以在重掺杂的N型外延层上进行。触点采用金属设计，可制成阳极和阴极等两个端子。二极管的前部区域可以分为两种类型，例如有源表面和无源表面。

非活性表面的设计可以用二氧化硅 (SiO2) 完成。在活动表面上，光线可以照射在其上，而在非活动表面上，光线不能照射。通过抗反射材料覆盖活性表面，使光的能量不会损失，最高可以转化为电流。

光电二极管的主要要求之一是确保最大量的光到达本征层。实现这一点的最有效方法之一是将电触点放置在设备的侧面，如图所示。这使得最大量的光能够到达有效区域。发现由于衬底是重掺杂的，由于这不是有源区，因此几乎没有光损失。

由于光在一定距离内大部分被吸收，本征层的厚度通常与此相匹配。任何超过此厚度的增加都会降低操作速度——这是许多应用中的一个重要因素，并且不会大大提高效率。

也可以让光从结的一侧进入光电二极管。通过以这种方式操作光电二极管，可以使本征层变得更少以提高操作速度，尽管效率降低。

在某些情况下，可以使用异质结。这种结构形式具有额外的灵活性，可以从基板接收光，并且具有更大的能隙，使其对光透明。

作为一个不太标准的过程，它的实施成本更高，因此往往被用于更专业的产品。

光电二极管特性

伏安特性

伏安特性是指光电二极管上的光电流与施加在其上的电压之间的关系。

光照特性

光照特性是指在阴极和阳极之间的光电二极管电压恒定时，光通量与光电流的关系。光特性曲线的斜率称为光电二极管灵敏度。

光谱特性

光电流与入射光波长之间的关系称为光谱特性。光子能量与光波长有关：波长越长，光子能量越小;波长越短，光子能量越大。

光电二极管的作用与用途

光电二极管的功能

光电二极管广泛用于：

1、光控

光电二极管可用作光电开关，其电路如下图所示。当没有光时，光电二极管VD1由于反向电压而截止。晶体管VT1和VT2也因无基极电流而截止。继电器处于释放状态。

当光在 VD1 上发射时，它从截止过渡到导通。于是，VT1、VT2依次导通，继电器K吸合，接通控制电路。

2、光信号接收

光电二极管可用于接收光信号。下图为光信号接收放大光电二极管电路。光信号由光电二极管VD接收，经VT放大，通过耦合电容C输出。

VI 光电二极管应用

具体的光电二极管应用是：

1、光电管

光电管本质上是一个大面积的PN结。当光在一个 PN 结表面上发射时，例如 P 区表面，如果光子能量大于半导体材料的禁带带宽，则 P 区中的每个光子都会产生一个自由电子-空穴对。

电子-空穴对迅速向内扩散，并在结电场下形成与光强相关的电动势。

这时候，如果我们把它作为电源，连接到外部电路，只要有光，它就会持续供电，这就是光电池。换句话说，光电池是一种没有偏置电压的PN结光电器件。它可以直接将光能转化为电能。

2、太阳能电池

太阳能电池是一种半导体器件。当阳光照射到半导体上时，一部分被反射，其余部分被吸收或穿透半导体。

一些吸收的光变成热，而其他光子与构成半导体的价电子碰撞，从而产生电子-空穴对。这样，光能就转化为电能。

因此，在太阳光照射后，太阳能电池的两端会产生直流电压，从而将太阳光能量直接转化为直流电流。如果我们将金属引线焊接到 P 层和 N 层，并连接负载，电流将流过外部电路。

这样，如果我们把光电管串并联起来，就可以产生一定的电压和电流，从而输出功率。

3、光伏发电照明系统

光伏发电系统是利用太阳能电池将太阳能转化为电能的发电系统。它利用光伏效应。

主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。可靠性高、使用寿命长、无污染、独立发电、光电二极管并网运行。

由于光电二极管光伏模式受光线、温度等外界环境因素影响较大，工作点变化较快。有独立发电系统和并网发电系统。

(1) 独立光伏发电系统

独立光伏发电系统是一种不接入电网的发电方式。它需要电池来为夜间储存能量。独立太阳能光伏发电主要用于偏远村庄和家庭。

(2)并网光伏发电系统

并网光伏发电系统接入国家电网为电网供电。它不需要电池。住宅光伏发电系统大多在家庭中。它们还用于公共设施、夜间景观照明系统和太阳能农场。

光电二极管的其他应用有：

用作光传感器的光电二极管。由于其中的电流与光的强度成正比，因此也用于测量光的强度。

可以使用烟雾探测器中的光电二极管来感知烟雾和火灾。

光电二极管与led配合制作光隔离器和光耦合器

在太阳能电池板中用作太阳能电池

用于条码扫描器、字符识别

用于障碍物检测系统，

可在打印机中用作页面存在和页面计数器

用于接近检测、血氧计

它也用于光学编码器和解码器

光信息传输，基于光纤的通信

位置传感器

光电二极管选型参数

有四个主要参数用于选择正确的光电二极管以及是否对光电二极管进行反向偏置。

1、暗电流

在光电导模式下，当没有光时，通过光电二极管的电流为暗电流。光电二极管中的暗电流包括半导体结的辐射电流和饱和电流。必须提前测量。特别是在精密光功率测量中，必须仔细考虑和纠正暗电流引起的误差。

2、光电二极管响应时间

响应速率是光导模式下的光电流与应急灯的比值，单位为 A/W。响应特性也可以表示为光电二极管的量子效率，即光产生的载流子数与应急光光子数之比。

3、噪声等效功率(NEP)

噪声等效功率是指产生光电流所需的最小光功率，它等于 1 Hz 时噪声功率的 RMS。它大约等于光电二极管的最小可检测输入功率。一个相关的属性是检测率 (D)，它是噪声等效功率的倒数。

4、频率响应特性

主要由三个因素决定：

(1)耗尽层附近光生载流子的扩散时间;

(2) 耗尽层中光生载流子的漂移时间;

(3)由负载电阻和并联电容决定的电路时间常数。

其他重要参数包括材料、光电二极管和有源区域的尺寸以及成本。在采购光电二极管时，需要仔细考虑。

由不同材料(硅、锗、砷化铟镓磷化物或砷化铟镓)制成的光电二极管具有不同级别的灵敏度以及不同的速度和暗电流。例如，硅对约 400 到 1000 nm 的波长提供灵敏度。然而，它在较高波长(~900 nm)下具有最高的灵敏度。

另一方面，锗对约 800 至 1600 nm 之间的波长(峰值约 1400 nm)提供灵敏度。

光电二极管怎么测好坏?

1、电阻测量方法

使用万用表的“1k”来测试光电二极管。光电二极管的正向电阻约为 10KΩ 。

无光时，若测得的反向电阻为∞ ，则说明二极管良好，或漏电流较大。

有光照时，反向电阻随光照强度的增加而减小。如果电阻可以达到几kΩ ;或低于1k Ω，二极管是好的;如果反向电阻为∞或为零，则二极管已损坏。

2、电压测量方法

使用万用表的“1V”档。将红色表笔接到光电二极管的正极，黑色表笔接到负极。在光照下，电压与光照强度成正比，一般可达0.2V-0.4V。

3、短路电流测量方法

使用万用表的“50 μA ”档。将红色表笔接到光电二极管正极，黑色表笔接到负极。在白炽灯(不是荧光灯)下，如果短路电流随着光的增加而增加，则二极管是好的。短路电流可达数十至数百μA。

有时，需要区分红外发光二极管和红外光电二极管。

如果它们都用透明树脂包装，我们可以看到它们的模具安装。红外 LED 管芯下方有一个浅板，但没有光电二极管管芯。

如果它是一个小型光电二极管或者它是用黑色树脂包装的，您可以使用万用表(设置为 1k 档)测量电阻。

首先，确保二极管没有暴露在光线下。如果测得的正向电阻为20-40kΩ ，反向电阻大于200kΩ ，则正向电阻约为10k，反向电阻接近∞，即为光电二极管。

审核编辑：汤梓红